[发明专利]自发泡制备酚醛泡沫材料及泡沫炭材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于酚醛泡沫材料及泡沫炭材料领域，涉及一种自发泡制备工艺；具体地，涉及一种自发泡一步反应制备酚醛泡沫材料及泡沫炭材料的方法。

背景技术

酚醛泡沫材料是一类新型的泡沫塑料，其具有轻质、低毒、阻燃、隔热、隔音等优点，被广泛用作建筑、石油化工、交通运输、航天航空等领域的保温、隔音及隔热材料。目前酚醛泡沫材料的典型制备方法是预先制备可发性的酚醛树脂，加入发泡剂、固化剂及表面活性剂等，在高温下加热，通过发泡剂挥发形成酚醛泡沫材料，但这种传统的制备工艺操作复杂、能耗大，其制备过程中用到的部分发泡剂(如氟氯烃化合物)、固化剂(如盐酸、磷酸等)对环境及设备具有较大的危害。

针对以上问题，已有专利对酚醛泡沫的制备工艺进行改进。如：中国专利CN1955206B公开了一种低常温可发酚醛树脂的合成及制备酚醛泡沫的方法，该方法将发泡温度降至5～30℃，且用烷烃作为发泡剂，降低了环境污染。中国专利CN103059503A公开了一种酚醛泡沫塑料及其制备方法以及泡沫炭的制备方法，该方法采用环保型发泡剂无氯氢氟烃或烃类化合物。但与传统的酚醛泡沫制备工艺相比，现有的这些改进技术的工艺流程无明显改进，其制备工艺仍然很复杂，更为简捷、节能和环保的工艺技术仍为酚醛泡沫制备工业所急需。

同时，酚醛泡沫材料因其热稳定性好、高温残炭量高，又是泡沫炭材料的理想前躯体。泡沫炭材料是一类具有丰富大孔及三维网状骨架结构的多孔炭材料，因其具有密度低、孔隙率高、导电性好、化学稳定性及热稳定性好等优点，被广泛用作电极材料、吸附剂、催化剂载体，在航空航天及环境清洁等领域也展现出广阔的应用前景，因而，泡沫炭材料的制备工艺研究也受到了广泛的关注。酚醛树脂基泡沫炭材料的制备是以酚醛泡沫制备工艺为基础，通过在惰性气氛下热解酚醛泡沫的方法获得，因此，泡沫炭材料的制备工艺也存在工艺复杂、能耗大和环境污染的问题。

发明内容

针对上述背景，本发明的目的之一是为了克服现有酚醛泡沫制备技术的缺陷，利用有机二酸与醛的Knoevenagel脱羧反应放出CO₂气体作为发泡剂以及酚、醛、明胶快速共聚反应，提供一种简捷的自发泡制备酚醛泡沫材料的新方法。

本发明采用如下技术方案：

以水为溶剂，以酚、醛、明胶和有机二酸为反应原料，在明胶引发酚、醛、明胶快速共聚反应的同时，有机二酸与醛进行Knoevenagel反应加热脱羧并放出CO₂气体作为发泡剂，实现一步法自发泡制备酚醛泡沫材料，具体按以下步骤制备：

将酚、明胶、有机二酸溶于40～90℃热水，搅拌至完全溶解，再加入醛得到反应液；将上述反应液加热至60～90℃进行发泡及固化，反应时间为60～240min，冷却干燥后即得酚醛泡沫材料；所述有机二酸为含有活泼亚甲基的有机二酸；其中，

其中，所述酚为苯酚及其衍生物；所述醛为一元醛、二元醛、多聚甲醛或不饱和醛的一种或两种。

优选的方案中，本申请所述发泡及固化的过程在0-1.5MPa外加压力下进行；或者将反应液密封，使发泡及固化的过程在其自生压力下进行。

本申请所述的酚，优选为间苯二酚、苯酚、双酚A。

本申请所述的醛，优选为37％甲醛溶液、多聚甲醛、丙烯醛、25％戊二醛溶液中的一种或两种。

本申请所述含有活泼亚甲基的有机二酸，优选丙二酸。

基于上述方法，本发明的另一目的是为了克服现有泡沫炭材料制备技术的缺陷，提供一种以自发泡制备的酚醛泡沫材料为前驱体制备泡沫炭材料的方法。具体包括以下步骤：

⑴制备酚醛泡沫材料：按上述自发泡法制备酚醛泡沫材料；

⑵制备泡沫炭材料：以步骤⑴获得的酚醛泡沫材料为前驱体，经炭化反应得到泡沫炭材料。

本发明步骤⑵所述的炭化反应为，将步骤⑴自发泡法制备的酚醛泡沫材料置于炭化炉中，在惰性气体氮气或氩气的保护下，气体流量20～100ml/min，从室温以1-3℃/min升至300℃，恒温60min进行初步热解；再升温至炭化终温500-900℃，恒温60-240min，炭化得到泡沫炭材料。

本申请的有益效果：